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CAF(電路板內微短路)形成的可能原因與改善對策
公司的產品曾經發生過【電路板內層微短路現象】，經追查後發現是CAF(Conductive Anodic Filament)所造成，中文稱之為「導電性陽極細絲物」或「陽極性玻璃纖維絲漏電現象」，不過直譯的話應該沒有幾個人弄得清楚這是什麼東東吧？CAF其實就是電路板內層或防焊綠漆層內的微短路現象。
因為這個CAF問題一直縈繞在工作熊的心頭揮之不去，隨著時間的推演，再加上工作熊去上了一些關於PCB製程的課程，並與更多的PCB業者討論後，工作熊最近歸納出一些關於CAF形成的原理與改善方法心得，放在這裡給大家參考。
不過工作熊畢竟不是CAF的專家，所以請有經驗的朋友也可以提供經驗分享，讓大家多多了解CAF的影響。
（對於大陸那些盜文網站，複製貼上本站文章後，居然還改成自己公司的名字，感到無恥！文章內容部份防止複製編排可能造成您閱讀的不便，請見諒！）
用影片介紹什麼是CAF？
CAF形成的原理(機理)
參考文章最上面的圖示說明CAF的樣式與形成過程，CAF是指對印刷電路板(PCB)施加了直流偏壓並放置於高濕環境中，濕度會與雜質形成電解質(electrolyte)，在PCB的層到層間(Layer to Layer)、線路到線路間(Line to Line)、孔到孔間(Hold to Hole)或孔到線路(Hole to Line)如果有縫隙存在，居於高電位陽極的銅金屬會先氧化成Cu+或Cu++離子，並沿著已經存在的不良通道之玻璃纖維紗束向陰極慢慢遷移生長，而陰極的電子也會往陽極移動，路途中銅離子遇到電子即會還原成銅金屬，然後又被偏壓影響再次形成銅離子，之後再變回銅金屬，如此反覆逐漸從陽極往陰極蔓延成生銅膜，故又稱之為「銅遷移」。
很多人第一次遇到CAF的現象時會一直被其不斷重複且間歇性出現的行為所困擾。因為一旦CAF完成了通路導電後，卻又會不時遭到高電阻的焦耳熱燒斷，一般使用三用電錶量測CAF時會發現一開始量得到短路，但之後再量又量不到，或是將之通電模擬想複製問題卻時有時無的現象，就算量測到數值也會一直漂移，在CAF形成條件未完全消失前，CAF的戲碼將會一再的重複出現於同一個位置上。
綜上所述，要形成CAF缺陷必須要同時具備下列四種失效條件才會發生，缺一不可，也就是要有絕對的天時地利人和才會產生CAF，所以說意外絕非偶然，就是一連串的錯誤所造成的：
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水氣（Moisture, 大氣環境中似乎無法避免）或溶劑(solvent)用來形成電解質，比如電路板上殘留的助焊劑或是海邊含鹽分的海風潮濕後都是很好的電解質材料。
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露銅（Ionic material, 電路板內以銅箔當基材，所以無法避免。其實只要是可以形成離子的材料都算，一般以銅、銀比較容易形成CAF。）
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偏壓（Bias, 電路設計之必然，所以也是無法避免。異極金屬(dissimilar metal)間也會產生所謂的「賈凡尼效應」形成電位差。）
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通道（Pathway, 看來就只能對此參數做改善了）。應該說兩極間的「距離」與阻礙吧！距離越短就越容易發生，因為絕緣阻抗越小。
金屬離子在電場作用下在非金屬介質中發生「電化學遷移(ECM，Electro Chemical Migration)」反應，從而在電路的陽極、陰極間形成一個導電通道而導致電路短路
陽極：Cu → Cu2++2e– (Copper dissolved at anode)
H2O → H++OH-
陰極： 2H++2e– → H2
Cu2++2OH– → Cu(OH)2
Cu(OH)2 → CuO+H2O
CuO+H2O → Cu(OH)2 → Cu2++2OH–
Cu2++2e– → Cu (Copper deposited at cathode)
一般認為，電離子化學遷移分為兩個階段：第一階段，樹脂和增強材料在濕氣的作用下，增強材料的矽烷偶聯劑化學水解，即在環氧樹脂/增強材料上沿著增強材料形成CAF的洩露通道路（leakage path），此階段屬可逆反應；第二階段，在電壓或偏壓的作用下銅鹽發生電化學反應，在線路圖形間沉積形成導電通道，使線路間出現短路，此階段為不可逆反應。
要如何才能防止或解決CAF的發生呢？
想要解決或防止CAF發生，其實可以從上述的四個必要條件來著手，只要消滅其中任何一個條件就可以防止其發生。
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1. 提高電路板材料在Anti-CAF方面的能力
電路板板材的選用其實對防護CAF的發生非常的重要，但是通常一分錢一分貨，一般要有高CAF防護能力的基材都需要特別要求訂作，底下是選用電路板基材防CAF的建議：
- 減少材料中的不純離子含量。
電路板的基板製作時會先將多捆的玻璃纖維束編織成布，然後引入樹脂槽當中浸漬，再逐漸拉起或拉出沾有樹脂的玻璃纖維布，目的是要讓樹脂可以充填到玻璃纖維束的縫隙當中，如果這個階段的參數設定不好就容易在玻璃纖維束形成空隙，讓CAF有隙可乘。- 使用低吸濕性樹脂。 相關閱讀文章：PCB板材的結構與功用介紹
- 採用開纖扁纖布。
2. PCB layout Design 在偏壓和孔間距的規避
電路板的通孔、線路尺寸位置與堆疊結構設計對CAF也會產生絕對性的影響，因為所有的要求幾乎都來自設計。隨著產品越做越小，電路板的密度也越來越高，但是PCB製程能力有其極限，當有直流偏壓(bias voltage)的相鄰線路距離越小時，其發生CAF的機率也就越來越高，基本上偏壓越高或距離越小，CAF的機率就會越高。
依照目前電路板廠商所提供的資訊顯示，下面是大部分電路板廠商針對CAF防護所建議的PCB尺寸設計值：
- 孔到孔邊距離(最小)：0.4mm
- 孔到線距離(最小)(Drill to Metal)：12mil (0.3mm)
- 孔徑建議：0.3mm
另外，根據實際經驗發現，CAF的通道(gap)幾乎都是沿著同一玻璃纖維束發生，所以如果可以將通孔或焊墊的排列方式做45度角的交叉佈線將有助將低CAF的發生率。
3. PCB制程中Wicking的管控
在PCB的機械鑽孔或雷射燒孔時會產生高溫，超過樹脂(resin)的Tg點，就會熔融並形成膠渣，此膠渣會附著於內層銅邊緣及孔璧區，最造成後續鍍銅時接觸不良，所以在鍍銅前必須先進行除膠渣(De-smear)作業，而除膠渣的首站就必須使用蓬鬆劑(sweller)經1~10分鐘之浸泡處理，讓各種膠渣發生腫脹鬆弛，以利後續Mn+7的順利攻入與咬蝕。但是除膠渣作業也會對通孔造成一定的咬蝕並出現可能的滲銅(wicking，芯吸)現象，有些電路板業者為了加速蓬鬆作業會把蓬鬆槽的溫度調高，以致造成蓬鬆劑過度拉鬆介面，加重了登新的長度，引發後續的銅遷移現象。
IPC-A-600有規定滲銅(Wicking)的允收標準如下：
- Class 1，滲銅不可超過125µm (4.291 mil)
- Class 2，滲銅不可超過100µm (3.937 mil)
- Class 3，滲銅不可超過80µm (3.15 mil)
只是隨著科技的進步，0.1mm (100µm)的滲銅似乎已不符合實際需求，以0.4mm孔到孔邊距離來看，扣掉滲銅的尺寸，距離就只剩下0.4-0.1-0.1=0.2mm了，以現在電路板業者的製程能力來說，應該都可以控制滲銅在 50µm (2mil) 以下才對。相對地，系統廠在Layout電路板的孔到孔的距離也縮小到了100µm (4mil)，這對CAF防治真的是一大考驗。
另外，在PCB的機械鑽孔作業時，如果進刀速度太快，或是銑刀超過使用壽命，也容易因為銑刀的外力而撕開玻璃纖維產生縫隙。
4. PCB 加工過程中防水濕氣的管控
在電路板組裝(PCB Assembly)作業中的錫膏印刷、零件貼附、高溫回焊等都可能會在電路板上留下一些污染物，這些污染物可能有焊料、膠類、灰塵、結露等容易發生電解的物質，都有可能造成電化遷移的現象，可以使用密封膠來封閉可能產生空隙形成CAF的交界處，以防止水氣的滲入。
延伸閱讀：
滾筒測試(tumble test)的方法與失效解決對策
為何產品執行燒機(B/I)也無法攔截到DDR虛焊的問題？
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訪客留言內容（Comments）
熊大,
每次拜讀您的文章都感覺受益良多，
當初在PCB廠服務時也遇過類似狀況，
一排8mil的via hole，孔與孔間距只有10mil，
後續廠內的改善方法誠如您所提到的2.3點中相似，
1. 修改孔與孔的間距.
2.使用新鑽頭， 限定鑽頭鑽孔數(500孔換新針) ， 限定1片1鑽，
控制進刀速與出刀速。
這些主要是改善孔璧的粗糙度，在粗糙度越低的狀況下，鍍銅前處理就不會被藥水從粗糙孔璧中過度侵入，進而產生燈芯現象。
以上只是自己親身處理過的的個案，僅供參考。
熊大
可以解說一下 IPC-TM-650 2.6.14
Electrochemical Migration Resistance Test 是怎樣的一個測試？小妹沒有經驗在這個測試上 現在很苦惱！
麻煩熊大幫一下忙！感激感激！
AHW
Dear熊大
關於CAF的異常分析想向您請教
驗證板測試CAF 1000hr(on line)
測試結束時，阻值尚有0.1Mohm，無法進行熱點分析(有送過但都沒有找到異常)
於是將樣本放回艙內劣化，這時發現阻值又恢復到100Mohm,請問這有可能是哪些現象造成的?
熊大,
非常感謝您的回覆，我ㄧ直都從您的文章偷學，哈哈，感謝！
1.不良品為LED燈板,客戶是在燈不亮下，解析量測呈現短路，LED原廠確認為良品，確定不良原因為電路板
2.不良可能沒辦發複制了，因為板廠解析把板子表面殘膠、物質全部清除了，
我猜測會不會是：電路板組裝(PCB Assembly)作業中的錫膏印刷、零件貼附、高溫回焊等都可能會在電路板上留下一些污染物，這些污染物可能有焊料、膠類、灰塵、結露等容易發生電解的物質，會不會是CAF5要素中-水氣，因環境變化，導致短路？又因回到廠內，又可以恢復開路？
其实有没有想过whitening和roughness对H-H的CAF fail issue呢？灯芯我感觉和wicking还是有区别，whitening会说明drilling工艺的好坏从而粗略判断Anti-CAF性能的好坏吧？
Hello 熊大，
感謝對我留言的回復，不知是我認知與您工作上認知的whitening是不是相同的一個事物。我所認知的是孔內因鑽孔條件過差導致將glass fiber抽離或損掉的情況，由於板層抽離或損掉導致板層空洞。之前混研發時老外教導稱為whitening，而這時如果做CAF test的話由於test前會過3x reflow，這時就會產生brown eye void或cigar void。我覺得這個時候由於這些void的存在便會大幾率導致CAF fail。當然，在選材或在疊構上通常會考慮butter coat的問題，如果butter coat過薄或過小我也會認為CAF fail的幾率也會較大。以上是我的一些見解，不足還請提出讓我繼續思考呢……
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4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
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孔径建议12mil，但是现在通信产品一些复杂的单板都大多采用8mil的孔径了，12mil是不是有点太大了？